海洋工程應用現狀及其發展前景

張明慧　鄭艷娜

(大連海洋大學土木工程學院，遼寧大連　116023)

?

海洋工程應用現狀及其發展前景

張明慧鄭艷娜

(大連海洋大學土木工程學院，遼寧大連116023)

摘要:從海洋工作平臺、海底工程、人工島、港口碼頭、海上風電和跨海大橋六方面入手，介紹了國內外各類海洋工程的應用現狀，結合海洋資源開發對海洋工程發展的需求，研究了各類海洋工程的未來發展方向，有利于海洋資源的合理開發與利用。

關鍵詞:海洋工程，海洋資源，工作平臺，人工島

0　引言

海洋工程一般指人類為開發和利用海洋資源，建設的各種工程設施及海上運輸設施［1］。海洋工程是人類開發利用海洋資源過程中產生的一種特殊工程技術。由于海洋資源與陸地的稟賦環境差異巨大，開發利用難度較大，因此海洋工程就成為實現海洋資源開發與利用的必要手段和關鍵技術。同時海洋工程也是維護國家的海洋主權與獲得應有的海洋權益的重要保障。因此，發展海洋經濟，實現海洋強國，必須加強海洋資源開發所需的關鍵工程技術的研究與儲備。

1　海洋工程應用現狀

當前，許多國家都在大力發展海洋工程技術，以爭取海洋資源開發利用的主動權和優先權。這些海洋工程按照工程的結構和形式主要可以分為海洋工作平臺、人工島、海上風電、跨海大橋、港口碼頭、海底工程等。

1．1海洋工作平臺

在開發利用大陸坡、領海，特別是深海的各類豐富的自然資源時，首先必須具有進入海洋環境空間，駐留定位的能力。20世紀70年代以來，世界主要發達國家和一些發展中國家都在大力開發建設海洋工作平臺。張力腿式海洋工作平臺是目前世界上唯一能進入1 000 m深水海域，且在復雜多變的海洋環境中能夠平穩地定位于水面，從事海洋資源開采的永久性系泊深海工程構筑物［2，3］。挪威國家石油公司正計劃建設無人采油平臺，這種無人采油平臺是在GULLFAKES B混凝土重力平臺上安裝遙控監視器和控制程序，實現無人采油。英國正在研制一種300 m水深的無人操縱平臺，用于開發利用英格蘭毗鄰的北海水域深水中型油田。我國自20世紀60年代就因海洋石油勘探開采的需要開始研制海洋工作平臺，目前已在渤海、東海、南海等海域有上百座海洋石油工作平臺，并且已經開始出口國外。

1．2水下/海底工程

水下/海底工程包括海底隧道、海底管道、海底電纜、海底/存儲實驗工程、深潛器等。目前，全世界已建成和計劃建設的海底隧道有20多條，著名的英法多佛爾海峽海底隧道，全長53 km，海底部分37 km，隧道由兩股火車隧道和一股工作隧道構成，于1995年建成通車。日本的青函海底隧道是連接日本本州和北海道的一條海底隧道，1987年建成，隧道全長54 km，其中海底部分23 km。中國香港海底隧道包括中、東、西三條線路，分別于1972年、1989年和1997年建成，是連接香港島和九龍半島的重要交通樞紐。廈門翔安海底隧道連接廈門島與大陸，全長8．695 km，2010年4月正式通車，是我國完全自主設計、施工的第一條海底隧道，對于探索適合我國國情的海底隧道建造技術具有里程碑式的意義。海底管道工程是海洋底床及以下建設的各類管道工程的總稱，建設目的是為海底油、氣、水等物質和能量的輸送提供通道。海底管道包括海底輸油管道、海底輸氣管道、海底輸水管道、海底油氣混輸管道、海底油水混輸管道、海底水氣混輸管道等。當前，海底管道建設的主要作用是將海上油、氣田所開采的石油或天然氣通過海底管道輸送到陸地上的油、氣庫站，或者將大陸的淡水資源通道海底管道輸送到偏遠海島。海底管道工程主要是隨著全球海洋油、氣資源的勘探開采而逐漸發展起來的，目前，海底管道主要分布在海洋油、氣田分布區域，我國油、氣管道主要有渤海油、氣海底管道，東海平湖油、氣通往上海的海底管道、南海北部至香港的海底輸氣管道等。海底輸水管道在我國主要集中分布于浙江舟山群島至大陸之間。

海底電纜工程是鋪設于海底底床上的各種電纜、光纜、通信線纜工程的總稱，當前的海底電纜大多是以光纖為媒介傳輸電話和互聯網信號。全世界第一條海底電纜工程是1850年在英國和法國之間的英吉利海峽鋪設完成，中國的第一條海底電纜是在1888年完成。1993年建成的中國和日本之間的海底光纜工程，可同時開通7 560條電話電路。1997年在上海南匯建成的天下無難事光纜(FLAG)，連接全球20個國家，可開通12萬條電話電路。當前，我國開始建設中美、亞歐兩條光纜，總通信能力將猛增到132萬路。

在海洋深潛工程方面，主要有海底實驗工程、深海潛水器、海底儲存工程等。深海潛水器是目前海洋深潛工程發展最為迅速的領域，主要用途包括:

1)用于探測海底石油、天然氣、可燃冰以及其他礦產資源;

2)用于其他海底工程建造、檢測、維修、維護等;

3)用于海底考古、海底沉沒物件打撈;

4)用于海底科學考察、海底地質、水文等環境調查與觀測等;

5)用于海底軍事探測及水下軍事基地建造［4，5］。

當前，海洋深潛工程正朝著大型化、深水化、機動化和智能化方向發展［6］。載人深海潛水器的潛水深度不斷地增加。美國、日本、法國等等發達國家擁有多艘6 000 m級的載人潛水器。我國“蛟龍”號深海載人潛水器于2012年7月在太平洋馬里亞納海溝創造了下潛7 062 m的世界同類作業型潛水器的最大下潛深度紀錄，這使我國具備了載人抵達全球99．8%海洋深處探測作業能力。

1．3人工島

早期的人工島是浮動結構，建于止水，或以木制、巨石等在淺水建造?，F在的人工島大多填海而成，人工島的大小不一，由擴大現存的小島、建筑物或暗礁，或合并數個自然小島建造而成;有時是獨立填海而成的小島。日本是世界上最早建設海上人工島的國家，20世紀80年代竣工的神戶人工島標志著日本海上人工島建設技術水平達到最高。海上城市是在海上人工島基礎上建設的集工業、商業、科研、居住、娛樂等人類社會活動為一體的城市設施綜合體［7］。近年來，我國人工島建設工程技術日趨成熟，已建成的人工島主要有海南島的鳳凰島、河北唐山市石油開采人工島，此外，福建廈門、江蘇啟動、山東龍口等地都在規劃修建規模較大的人工島。

1．4港口碼頭

隨著全球范圍的海洋貿易、航運業的發展，港口碼頭工程是最早的海洋工程之一，也是目前最重要的海洋工程之一。港口碼頭按照建設用途可以分為集裝箱碼頭、煤炭碼頭、石油碼頭、礦石碼頭、散糧碼頭等。目前，全球港口碼頭有數萬個之多，比較著名的主要港口有荷蘭的陸特丹港、新加坡港、阿聯酋的迪拜港、韓國的釜山港、我國的上海港、深圳港、香港港等。隨著近年來我國海洋經濟的快速發展，目前，我國萬噸級以上的沿海碼頭有近500座，10萬t級以上的碼頭有50多座，2009年全球貨物吞吐量前十名的海港我國已占8座，成為全球主要的海港分布區。

1．5海上風電

隨著世界范圍內能源、環境問題的日益突出，海上風電工程成為近年來出現的一類新型海洋工程。歐洲是海上風電發展最快的地區，有8個海上風電場，主要分布在西班牙、英國、丹麥、瑞典和德國，總裝機容量577 MW。目前，我國海上風電工程已在上海、浙江、江蘇、山東和福建等多個省市開始建設和規劃，總裝機容量超過1 000萬kW，其中上海東海大橋風電示范項目已于2010年成功運營，同時已經啟動了海上風能觀測項目。

1．6跨海大橋

跨海大橋是建設在海洋水體表面以上的橋梁工程，主要用于貫通海灣、海峽、大陸與海島之間的交通運輸。全球著名的跨海大橋有美國的切薩皮克灣隧道大橋，該橋融合了人工島、沉管隧道和大橋三種形式，是世界橋梁建設工程歷史上的里程碑;連接日本本州島岡山縣和四國島香山縣的瀨戶內海大橋，由兩座斜拉橋、三座吊橋和三座桁架橋組成，是目前世界上最大的跨海大橋;連接我國上海浦東新區蘆潮港和浙江嵊泗縣小洋山島之間的東海大橋，2005年建成通車，全長32．5 km，是目前世界上最長的跨海大橋。另外，我國的跨海大橋還有1974年建成的澳門跨海大橋、1996年建成的彭湖跨海大橋、2007年建成的杭州灣跨海大橋、2008年建成的青島跨海大橋和2010年建成的平潭跨海大橋。目前，我國正在建設橫跨珠江口的珠港澳跨海大橋。

2　海洋工程發展展望

地球表面70%的區域為海洋，海洋區域蘊藏著十分豐富的自然資源，為推動人類社會可持續發展的重要物質能源儲藏區。隨著人類海洋工程技術的不斷進步，海洋工程將會與核工程技術、航天工程技術一樣，逐步形成龐大的科研、工程技術、生產實用綜合體，成為在今后工程技術領域一個舉足輕重的新興產業［8］。

2．1海上平臺發展展望

隨著信息化、工業化、智能化技術的不斷進步，針對海洋資源開采的海上平臺將向大型化、自動化、專用化方向發展，同時國際海事組織(MO)對海上平臺的安全、環保等方面的要求也越來越嚴格。目前，海上平臺建設掀起了研究超大型浮式構筑物(VLFS)的熱潮［9］。超大型浮式構筑物(VLFS)不同于目前百米尺度的海上平臺工程，它的尺度在千米以上，具有綜合性、多用途的功能特征。超大型海洋浮式構筑物在開發過程中需要解決一系列海上平臺工程的理論問題和施工技術問題，包括:選型和概念設計、動力特性預報、設計和建造、耐久性和可維性、事故載荷與風險評估以及生態與環境影響等。

2．2海底/水下工程發展展望

隨著通信業務量的加大和光纖技術水平的不斷提高，海底電纜正向超通量、耐久性方面發展，海底電纜工程隨著全球深潛工程技術的不斷完善向深海、超深海域延伸。海底隧道建設隨著隧道掘進機的發明和技術不斷更新與自動化程度的提高而在世界范圍內廣泛實施。為了探測海底隧道鉆探前方的地質結構，超前鉆探技術已成為探測掌子面前方復雜情況最可靠的方法，同時有壓力艙(土壓平衡)盾構技術的發展也為深層作業提供了重要的基礎保障。這些海底隧道工程技術的不斷改進與完善將使未來的海底隧道向超長度、超容積方向發展。

目前，世界主要沿海國家對水下工程裝備的需求日益增大，在深海工程領域的研究建設投資不斷增加［10，11］?？偟膩碚f，海底/水下工程裝備的發展趨勢主要表現為以下特點:

1)構件逐漸向標準化、模塊化發展;

2)耐高壓的深海潛水工程發展極為迅速;

3)海洋水下工程的智能化提高，能夠自動檢查排除故障，恢復作業能力;

4)海洋水下工程遠程操控能力提高，能夠遠距離操控海洋水下工程運作。

2．3人工島建設展望

進入21世紀，人工島建設已由以前的海上油氣、礦產開采平臺向親海、旅游休閑型的海上城市方向發展。人工島建設規模也由以前的小型、單一人工島向大型化、島群化方向發展。在人工島平面設計上多采用工程內部大水道分割的格局;在岸線形態上，大多采用曲折的岸線走向。這種人工島工程的空間規劃，雖然會增加人工島建設成本，但可提高海洋資源利用效率，提升區域資源、環境和社會協調發展能力:第一，提升了人工島臨岸親水效果，體現了海洋價值;第二，有效增加了海岸線長度;第三，減少人工島建設對海洋環境的影響;第四，減緩用海矛盾和沖突。阿聯酋迪拜棕櫚島是未來世界人工島建設的一個新示范。目前，我國江蘇啟動規劃建設的太陽島、山東龍口規劃建設的人工島群都體現了這種人工島建設的新趨勢。

2．4港口碼頭發展展望

港口在區域社會經濟發展中的樞紐作用和產業集聚、經濟輻射帶動作用日顯重要。港口碼頭建設將向大型化、專業化的方向發展，大型集裝箱碼頭、大型原油碼頭、大型天然氣碼頭、大型煤炭與礦石碼頭等專業碼頭共同構成超大型港口群。整合港口資源，優化港口布局，調整泊位結構，是我國港口碼頭發展的重要方向。通過發展重點完善沿海港口集裝箱運輸系統、大宗散貨運輸系統，促進異地港口間的物資流動與合作，形成分工合理、競爭有序、優勢互補的港口企業群體。港口發展在帶動臨港產業發展的過程中勢必會對所在城市帶來交通、生活、環境、安全等諸多影響，這些都是未來港口建設中必須解決的問題［11］。

2．5海上風電發展展望

將隨著全球風電產業的發展和土地資源的日益稀缺，海上風電在可預見的未來將持續發展壯大。目前，美國、加拿大、歐洲都規劃了規模龐大的海上風電項目。我國也在江蘇沿海灘涂規劃了淺水灘涂風電區域，在浙閩粵沿海規劃了中深水海上風電區域。通過研究海上風電的發展，未來海上風電的發展趨勢:隨著海上風電項目的技術成熟，海上風電的水深逐漸增加，電場的總容量逐漸擴大。這對技術和環境都提出了更新的要求;5 MW級的風電機組具有125 m高度的體形龐大，其視覺及物理方面的影響力已經不適合于近海建造。在此趨勢的推動下，歐洲海上風電場具有震撼力的陣形正被全球性地廣泛沿襲，總計9 000 MW的機組正處于規劃、開發的各個階段。

2．6跨海大橋發展展望

隨著區域間聯系緊密程度的加深，跨海大橋設計已由以前的單通道、單出口向多通道、立體化、多出口方向發展。跨海大橋橋體設計向自然流體，形態優美，觀景、造景等功能特征轉化?？绾４髽蛞矊⑷找娉蔀閹訁^域經濟的增長極，尤其是限制區域間聯系的瓶頸區域，如我國的渤海海峽擬規劃修建的蓬萊—長島跨海大橋、海南島與雷州半島之間擬規劃修建的瓊海跨海大橋。

3　結語

在當前全球資源需求快速增長的情況下，海洋將成為沿海國家解決資源供給不足問題的新選擇，成為具有戰略意義的重要新興開發領域［12］。在海洋工程裝備技術的不斷進步和各國對海洋工程技術的強烈需求推動下，包括海上平臺工程、海底/水下工程、人工島工程、港口碼頭、海上風電工程和跨海大橋工程在內的海洋工程總體發展趨勢可歸結為以下幾點:

1)深遠海工程需求增加，隨著人類工程技術水平的提高，對深海、遠海資源探測開發必需建設深遠海工程做以輔助;

2)海洋工程逐漸向大型化發展，大型化的海洋工程可以提高工程運營的經濟性、安全性和可靠性;

3)海洋工程建設更加注重環境保護，在全球環境保護呼聲不斷高漲的形勢下，海洋工程裝備制造也逐漸使用環保新材料，實現廢棄物料的循環利用;

4)海洋工程更加智能化、自動化，隨著通訊技術的高速發展，海洋工程建設將集成應用各類通訊高新技術，實現海洋工程的遠程操控，智能作業，自我檢測、維護與排除故障。

參考文獻:

［1］沈曦．國外海洋工程高技術發展狀態［J］．中國海洋平臺，1996，11(1):1-42．

［2］李芬，鄒早建．浮式海洋結構物研究現狀及發展趨勢［J］．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2007，27(5):682-686．

［3］張帆，楊建民，李潤培．Spar平臺的發展趨勢及其關鍵技術［J］．中國海洋平臺，2005，20(2):6-11．

［4］王穎，韓光，張英香．深海海洋工程裝備技術發展現狀與趨勢［J］．艦船科學技術，2010，32(10):108-124．

［5］Michael Smith，Steve Robertson．Deepwater expenditures to reach$20 billion/yr by 2010［DN/OL］．http://www．offshore-mag．com/Articles/Article-Display．cfm?Section= ARCHI＆ARTICLE_ID=24360＆VERSIN_NUM=2＆p=9．

［6］盛振邦．海洋工程國家重點實驗室測試技術的新進展［J］．上海交通大學學報，1996，30(10):165-170．

［7］國家海洋局日本考察團．日本圍填海管理的啟示與思考［J］．海洋開發與管理，2007(6):3-8．

［8］陳雯，竇義粟．世界海洋工程發展現狀分析［J］．中國水運，2007，7(8):199-200．

［9］The Design-Build Institute of America(DBIA):Large-Scale Seawater Desalination，2005．

［10］陶永宏．中國海洋工程發展現狀［J］．中外船舶科技，2009 (3):16-25．

［11］陳伯真，汪廣海．中國海洋工程的發展與展望［J］．鋼結構，2000，47(1):54-57．

［12］Water Desalination Market［EB/OL］．http://waterindustry．

org/Water-Facts/de-sal-9．htm．

Ocean engineering application progression and prospect

Zhang MinghuiZheng Yanna
(College of Civil Engineering，Dalian Marine University，Dalian 116023，China)

Abstract:From the marine work platform，submarine engineering，artificial islands，port wharf，offshore wind power and cross-sea bridge six aspects，this paper introduced the application present situation of all kinds of marine engineering at home and abroad，combining with the development needs of marine resources development to marine engineering，researched the future development direction of all kinds of marine engineering，beneficial to the reasonable development and utilization of marine resources．

Key words:marine engineering，marine resource，working platform，artificial island

作者簡介:張明慧(1978-)，女，講師;鄭艷娜(1978-)，女，副教授

收稿日期:2015-10-24

文章編號:1009-6825(2016)01-0253-03

中圖分類號:U612

文獻標識碼:A